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문제 정의
- 즉, 건설 중인 건물의 흙막이 벽체가 지하공간 굴착으로 발생하는 현상에 대한 연구는 부족하였다. 따라서 본 연구에서는 지상구조물 건설을 위하여 흙막이 벽체를 이용하여 지하굴착이 이루어진 지역에 근접하여 새로운 지하공간(터널 등)이 신설될 때, 지하굴착 이격거리에 따른 흙막이 벽체에 작용하고 있던 토압의 변화 및 지표 침하 변화를 실험적으로 연구하였다.
- 본 실험의 목적은 기존에 건설된 흙막이 벽체에 인접하여 새로운 지하공간을 굴착함으로써 기존의 흙막이 벽체에 작용하고 있던 토압의 변화와 지표침 하를 측정하는 것이다.
- 즉, 건설 중인 건물의 흙막이 벽체가 지하공간 굴착으로 발생하는 현상에 대한 연구는 부족하였다. 따라서 본 연구에서는 지상구조물 건설을 위하여 흙막이 벽체를 이용하여 지하굴착이 이루어진 지역에 근접하여 새로운 지하공간(터널 등)이 신설될 때, 지하굴착 이격거리에 따른 흙막이 벽체에 작용하고 있던 토압의 변화 및 지표 침하 변화를 실험적으로 연구하였다.
제안 방법
- 우선 벽체 간 수평을 맞추고, 총 80 cm의 모형지반 조성을 위해 10번에 나누어 8 cm씩 강사하였다. 1.0 kg의 다짐봉을 사용해서 일정간격으로 25회 다짐하였다. 지반 조성이 완료된 후 T형 바를 설치하고, 일정 간격으로 측점을 붙인 스티로폼 봉 5개를 배치했다.
- Fig. 1의 모형토조에서 우측 벽체가 기존에 건설되어 있는 흙막이 벽체를 모사하게 되고 흙막이 벽체 높이별 토압을 각각 측정하기 위하여 우측벽체를 10개 벽체로 나누어 제작하였다. 흙막이 벽체로부터 이격거리 별 지하공간 굴착을 모사하기 위하여 하부를 5개의 벽체(공간)으로 구성하고 각각이 독립적으로 변위가 조절되도록 제작하였다.
- 9H일 때, phase 7까지의 침하를 각각 도시한 그래프이다. X축은 우측벽체의 총 높이 80 cm로 나누었고, Y축은 최대 침하량으로 나누어 정규화 하였다. Table 1은 이격거리에 따른 각 실험의 최대 침하량과 발생 위치를 나타낸 것이다.
- 따라서 본 연구에서는 인접한 지하공간 건설에 따른 기존에 존재하던 흙막이 벽체의 변화하는 토압을 측정하고 추가적으로 지표면 지반침하 변화를 측정하였다.
- 즉 각 벽체마다 토압계를 설치하여 총 10개의 토압계를 설치하였다. 또한 흙막이 벽체에 인접한 지하공간 굴착을 모사하기 위하여 하부 벽체를 5개 벽체(B1 B5 in Fig. 5)로 나누어 제작하였고, 각 벽체를 하부로 변위를 발생시킴으로써 지하공간 굴착을 모사하였다. 즉, 흙막이 벽으로부터 특정 이격거리에서의 지하공간 건설을 모사하기 위해서는 5개 하부 벽체 중 한 개의 하부 벽체를 선택하여 단계별로 하부로 변위를 발생시킨다.
- 실험은 균일하게 조성된 사질토 지반에서 trap-door 실험과 유사하게 하부 지반에 변위를 가하고, 수직한 흙막이 벽체의 토압 변화 및 지표면 침하를 확인하는 방식으로 수행하였다. 모형실험은 인접한 지하공간 굴착에 따른 흙막이 벽체의 높이별 토압을 측정하기 위하여 흙막이벽을 모사하는 우측 벽체 10개 및 지하공간 굴착을 모사하는 하부 벽체 5개로 구성하고 하부벽체를 거동시킴으로서 지하굴착을 모사하였다.
- 4 kN/m3을 나타냈다. 목표한 지반의 단위중량을 얻기 위하여 실험 전에 강사 높이, 다짐 횟수 등을 변화하면서 지반조성을 수차례 수행하여 최적의 강사 높이 및 다짐 횟수를 얻고 이를 활용하여 지반을 조성하였다.
- 각 벽체에 screw를 벽체 후면에 배치했고, 이는 screw를 회전시켜 동력이 벽체에 전달되어, 좌우 혹은 상하 거동을 가능토록 하기 위함이다. 변위와 토압의 변화가 측정 가능해야 하므로 Fig. 2 및 Fig. 3과 같이 screw가 배치된 공간에 하중계(load cell)와 변위센서(Linear Variable Differential Transformer, LVDT)를 각 벽체마다 배치했다.
- 침하량을 측정하기 위한 봉은 자체 무게로 인해 침하되지 않기 위해 스티로폼 재질을 사용했으며, 직경은 2 cm, 길이는 20 cm로 제작했다. 스티로폼 봉을 구속하기 위해 T형 바를 설계했고, 봉과 동일한 직경으로 구멍을 뚫어 상하 거동이 용이하도록 했고, 일정한 간격으로 구멍을 배치했다. 사진측량을 통해 지표 침하량을 산출하기 위해 DSLR (Canon)과 상용 소프트웨어 Photo-modeler 5 pro를 사용했다.
- 즉, 지하공간 굴착 단계별로 흙막이 벽체의 토압 변화 및 지표 침하를 측정할 수 있는 길이 160 cm, 높이 120 cm의 모형 토조를 제작했다. 실험은 균일하게 조성된 사질토 지반에서 trap-door 실험과 유사하게 하부 지반에 변위를 가하고, 수직한 흙막이 벽체의 토압 변화 및 지표면 침하를 확인하는 방식으로 수행하였다. 모형실험은 인접한 지하공간 굴착에 따른 흙막이 벽체의 높이별 토압을 측정하기 위하여 흙막이벽을 모사하는 우측 벽체 10개 및 지하공간 굴착을 모사하는 하부 벽체 5개로 구성하고 하부벽체를 거동시킴으로서 지하굴착을 모사하였다.
- 실험은 하나의 하부벽체를 phase 7로 나누어 변위를 가해 흙막이 벽체로부터 이격거리를 둔 지하공간 시공을 모사하였다. 하부벽체와 흙막이 벽체간 거리에 따라 이격거리 0.
- 전술한 모형토조를 사용하여 다음과 같이 실험을 수행하였다. 우선 벽체 간 수평을 맞추고, 총 80 cm의 모형지반 조성을 위해 10번에 나누어 8 cm씩 강사하였다. 1.
- 벽체의 크기는 우측 벽체가 가로 8 cm, 세로 8 cm, 폭 40 cm이며, 하부 벽체는 가로 16 cm, 세로 5 cm, 폭 40 cm이다. 우측벽체의 두께는 8 cm, 하부벽체의 두께는 5 cm로 조성된 지반으로 변형이 발생하지 않을 정도의 충분한 두께로 매끄럽게 제작했다. 이는 휨, 강성, 마찰각의 영향을 최소화함으로써 해당 영향으로 인해 실험 결과가 달라지지 않도록 계획한 것이다.
- 이런 실험을 수행하기 위하여 Fig. 5와 같이 기존에 건설된 흙막이 벽체를 우측 벽체로 모사하고 실험 도중에 각 높이별 토압을 측정하기 위하여 전체 벽체를 10개의 벽체(W1 ~ W10 in Fig. 5)로 나누어 제작하였다.
- 전체 실험은 하부 1단 벽체부터 하부 5단 벽체까지 총 5가지 경우로 나누어 수행하였다. 전술한 바와 같이 흙막이 벽체 토압의 변화 추이를 확연하게 파악하기 위해, 벽체가 하강하는 범위는 0.
- 5)로 나누어 제작하였다. 즉 각 벽체마다 토압계를 설치하여 총 10개의 토압계를 설치하였다. 또한 흙막이 벽체에 인접한 지하공간 굴착을 모사하기 위하여 하부 벽체를 5개 벽체(B1 B5 in Fig.
- 지반을 조성할 때마다 일정한 단위중량을 유지하고 그 값을 확인하기 위해 단위중량 측정용 캔을 깊이 20 cm, 40 cm, 60 cm에 매설했고, 실험 종료 이후에 캔 내부의 단위중량을 측정했다. 조성된 지반의 단위중량은 평균 12.
- 2차원 거동을 모사하기 위해서 토조를 구성하는 재료는 수평, 수직을 제외한 방향으로 변형이 발생하지 않도록 두께 45 mm의 강 재료로 제작되었다. 침하량과 벽체 변형을 파악하고자 150 mm 두께의 투명아크릴을 배치했고, 아크릴의 휨을 방지하기 위해 동일한 두께의 강 재료를 격자형으로 배치했다. 모형지반은 주문진 규사를 사용하여 조성했고, 일정한 간격을 두고 다짐봉을 낙하시키는 방식으로 모형지반을 완성했다.
- 실험은 하나의 하부벽체를 phase 7로 나누어 변위를 가해 흙막이 벽체로부터 이격거리를 둔 지하공간 시공을 모사하였다. 하부벽체와 흙막이 벽체간 거리에 따라 이격거리 0.1H, 0.3H, 0.5H, 0.7H, 0.9H로 나누어 실험을 수행하였다. 흙막이 벽체에 작용하는 토압의 변화 경향은 이격거리 0.
- 1의 모형토조에서 우측 벽체가 기존에 건설되어 있는 흙막이 벽체를 모사하게 되고 흙막이 벽체 높이별 토압을 각각 측정하기 위하여 우측벽체를 10개 벽체로 나누어 제작하였다. 흙막이 벽체로부터 이격거리 별 지하공간 굴착을 모사하기 위하여 하부를 5개의 벽체(공간)으로 구성하고 각각이 독립적으로 변위가 조절되도록 제작하였다. 벽체의 크기는 우측 벽체가 가로 8 cm, 세로 8 cm, 폭 40 cm이며, 하부 벽체는 가로 16 cm, 세로 5 cm, 폭 40 cm이다.
- 9H로 나누어 실험을 수행하였다. 흙막이 벽체에 작용하는 토압의 변화 경향은 이격거리 0.1H(하부1단)와 0.5H (하부3단) 2가지 실험으로 압축해 서술하였고, 지표침하량은 실험마다 경향이 상이하므로 5가지 실험을 모두 종합해서 서술하였다.
- 흙막이 벽체와 이격거리를 둔 지하공간 굴착을 모사한 실험으로 지반은 침하가 발생하였고, 사진 촬영과 소프트웨어를 이용함으로 각 phase 마다 지표 침하량을 측정하였다. Fig.
대상 데이터
- 1). 2차원 거동을 모사하기 위해서 토조를 구성하는 재료는 수평, 수직을 제외한 방향으로 변형이 발생하지 않도록 두께 45 mm의 강 재료로 제작되었다. 침하량과 벽체 변형을 파악하고자 150 mm 두께의 투명아크릴을 배치했고, 아크릴의 휨을 방지하기 위해 동일한 두께의 강 재료를 격자형으로 배치했다.
- 모형지반을 조성하기 위하여 건조된 주문진 규사를 사용하였다. 실험을 통하여 측정된 주문진 규사의 균등계수(Uniformity coefficient, Cu), 곡률계수(Coefficient of gradation, Cc), 그리고 비중(Specific gravity, Gs)은 각각 1.
- 따라서 본 연구에서는 인접한 지하공간 건설에 따른 기존에 존재하던 흙막이 벽체의 변화하는 토압을 측정하고 추가적으로 지표면 지반침하 변화를 측정하였다. 이를 위하여 대형 모형토조를 제작하였고, 실험재료로서 모래를 사용하였다. 즉, 지하공간 굴착 단계별로 흙막이 벽체의 토압 변화 및 지표 침하를 측정할 수 있는 길이 160 cm, 높이 120 cm의 모형 토조를 제작했다.
- 이를 위하여 대형 모형토조를 제작하였고, 실험재료로서 모래를 사용하였다. 즉, 지하공간 굴착 단계별로 흙막이 벽체의 토압 변화 및 지표 침하를 측정할 수 있는 길이 160 cm, 높이 120 cm의 모형 토조를 제작했다. 실험은 균일하게 조성된 사질토 지반에서 trap-door 실험과 유사하게 하부 지반에 변위를 가하고, 수직한 흙막이 벽체의 토압 변화 및 지표면 침하를 확인하는 방식으로 수행하였다.
- 4와 같이 지표침하 측정부를 구성했다. 침하량을 측정하기 위한 봉은 자체 무게로 인해 침하되지 않기 위해 스티로폼 재질을 사용했으며, 직경은 2 cm, 길이는 20 cm로 제작했다. 스티로폼 봉을 구속하기 위해 T형 바를 설계했고, 봉과 동일한 직경으로 구멍을 뚫어 상하 거동이 용이하도록 했고, 일정한 간격으로 구멍을 배치했다.
- 1과 같이 모형 토조를 제작하였다. 토조의 크기는 길이 160 cm, 높이 120 cm의 직사각형 구조이며, 폭은 40 cm이다. 지반조성은 강사(raining method)를 통해 실제로 지반이 조성되며, 지반이 조성되는 구역의 크기는 길이 80 cm, 높이 80 cm, 폭 40 cm 이다(Fig.
성능/효과
- 1. 하부 1단 벽체(0.1H 이격거리)를 굴착한 결과, 우 측 6∼10단 벽체(흙막이 벽체 하단부)의 토압은 감소하였고, 우측 3∼5단 벽체(흙막이 벽체 중간 부)의 토압은 증가하였으며, 우측 1∼3단 벽체(흙막이 벽체 상단부)의 토압 변화폭은 상대적으로 작았다.
- 2. 하부 3단 벽체(0.5H 이격거리)를 굴착한 결과, 지하 굴착을 7 mm까지 모사하여도 흙막이 벽체의 토압은 거의 변화하지 않았다.
- 3. 하부 3단 벽체를 굴착하면서 인접한 하부 2단과하부 4단의 토압변화를 관찰한 결과, 하부 3단 벽체의 토압은 초기토압 대비 83.2% 감소하였고, 하부2단 벽체의 토압은 초기토압 대비 18.7% 증가했고, 하부 4단 벽체 토압은 초기토압 대비 27.5% 증가했다.
- 4. 이격거리를 두고 지하 굴착을 모사한 결과, 최대지표 침하량은 지반 굴착이 발생하는 벽체 부근에서 발생함을 확인하였다.
- Phase 0과 phase 1간의 토압 변화를 비교하면, 하부 1단 벽체의 거동으로 우측 6∼10단 벽체의 토압은 감소함을 보였고, 우측 3∼5단 벽체의 토압은 증가함을 보였다.
- Phase 1과 phase 7간의 토압 변화를 비교하면, 우측 5 ∼ 10단 벽체의 토압은 감소함을 보였고, 우측 3 ~ 4 단 벽체의 토압은 증가함을 보였다.
- 실험 전체 phase에서 측정된 우측벽체 토압 변화폭은 －0.002∼0.003 kgf/cm2(－0.2∼0.3 kPa)이며, 따라서 Fig. 9에서 알 수 있듯이 phase 0에서 phase 7까지 변화(지하 굴착)하여도 벽체의 토압은 거의 변화가 없음을 확인할 수 있다.
- 모형지반을 조성하기 위하여 건조된 주문진 규사를 사용하였다. 실험을 통하여 측정된 주문진 규사의 균등계수(Uniformity coefficient, Cu), 곡률계수(Coefficient of gradation, Cc), 그리고 비중(Specific gravity, Gs)은 각각 1.53, 0.87, 그리고 2.63이었으며, 통일분류법(USCS)에 의한 흙의 분류는 SP이었다.
- 하부벽체의 거동으로 지반이 일정한 영역을 가지고 이완되면서 영역 내에 속하는 우측 9, 10단 벽체도 토압이 감소됨을 확인했다.
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